基于LoRa技术的农业土壤调节系统设计与实现

摘 要：随着科技的持续进步与广泛应用，智能化灌溉已成为现代农业发展的重要趋势。在此背景下，介绍一种基于LoRa技术的农业土壤调节系统的设计与实现方法，并对该系统的功能、总体架构、网络通信过程、硬件开发设计、Android移动客户端和Web端软件开发设计等方面进行深入分析。该系统基于LoRa无线传输技术，实现了对土壤湿度数据的实时采集与水泵的智能控制。测试结果表明，该系统所采用的设计策略在智慧农业生产环境监测领域展现出广阔的应用前景，能够显著增强自动化信息服务的效能与水平。

关键词：LoRa；物联网技术；智慧农业；土壤调节；智能化灌溉；智云服务器

中图分类号：TP391.44；TN929.5；S365 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）05-00-05

0 引 言

目前，我国的灌溉方式主要依赖农民的生产经验，存在水资源浪费和灌溉不均等弊端[1]。传统农业急需向智能化、信息化的智慧农业转型，而物联网技术的兴起，为农业的智能化发展提供了极大的便利[2]。

物联网技术的核心思想是借助无线传感器网络和互联网，将现实世界的事物和数字信息相联结，实现智能化、自动化管理[3]。物联网涵盖感知、传输、处理、控制等多个环节，具有强大的传感识别与智能嵌入能力[4]。

针对ZigBee网络在智能农业系统应用中存在的单跳传输距离短、多跳组网结构复杂、信号易干扰、丢包率和误码率高、实用性差等缺点[5]，提出一种基于LoRa技术的农业土壤调节系统的设计方案。该系统利用LoRa的超高速、低时延、多通道的优势并结合物联网相关技术，能够实时采集和监测温度、湿度和土壤水分等数据。系统能够通过搭建的网络将数据上传至数据服务器，协助管理人员进行数据分析和处理，从而显著提升管理人员的工作效率。通过对通信技术、物联网技术、云平台的综合应用，管理人员可以远程实时调控设备，进行温度调节、水泵控制等操作，实现对农业环境的智能调控。

1 系统功能及架构设计

1.1 农业土壤调节系统功能

农业土壤调节系统能够实时控制水泵的开关，并将控制结果即时反馈给相关节点。同时，该系统还能实时收集温湿度传感器的数据，并将这些数据推送至智云数据中心，使得用户可以通过Android移动客户端和Web端随时随地了解土壤状态。系统功能说明见表1。

1.2 系统总体架构设计

农业土壤调节系统基于智云物联网项目架构进行设计，并根据物联网的四层架构模型进行深入分析，具体如图1所示。

感知层：主要包含采集类、控制类传感器。由STM32F103

单片机实现温湿度传感器的数据采集与继电器的控制。

网络层：感知层节点同网关之间的无线通信借助LoRa技术实现，网关同智云服务器、上层应用设备间通过无线网络进行数据传输。

平台层：平台层主要负责提供基于互联网的数据存储、交换、分析功能。同时，该层还支持物联网设备通过互联网实现数据的存储、远程访问及有效控制。

应用层：应用层主要是物联网系统的人机交互接口，通过PC端、移动端为用户提供界面友好、操作交互性强的应用。

2 系统网络通信过程

农业土壤调节系统传输过程分为三部分：传感节点，网关，客户端（Android、Web），其通信流程如图2所示。

（1）传感器节点通过LoRa网络与网关的协调器进行组网，网关的协调器通过串口与网关进行数据通信。

（2）底层节点的数据通过 LoRa网络将数据传送给协调器，协调器通过串口将数据转发给网关服务，通过实时数据推送服务将数据推送给所有连接网关的客户端。

（3）客户端（Android、Web）应用通过调用智云数据接口，实现实时数据采集等功能。

3 系统硬件开发设计

3.1 系统硬件说明

农业土壤调节系统中主要使用到的传感器有以下两种：

（1）温湿度传感器：型号为HTU21D，采用数字信号输出方式，通过I2C通信接口进行数据传输。该传感器的温度测量范围为-40～125 ℃，湿度测量范围为5%RH～95%RH。

（2）继电器控制模块：输出无线节点的两路继电器接口，支持5 V电源开关控制。

3.2 系统底层开发框架

本项目底层开发的函数名称及功能见表2。

3.3 传感器驱动程序流程分析

土壤温湿度传感器属于采集类传感器，设定每隔30 s（默认）主动上报传感器数值。智能无线土壤温湿度检测程序逻辑如图3所示。

水泵控制模块属于控制类传感器，设定每隔30 s（默认）主动上报传感器数值。智能无线水泵控制检测程序逻辑如图4所示。

4 系统Android移动端软件开发设计

4.1 Android工程设计框架

Android Studio开发环境中的本项目工程目录列表如图5所示。

系统工程设计框架说明见表3。

4.2 软件设计

智云物联云平台为用户提供了实时数据推送服务的API接口，用户根据这些API接口可以实现与底层传感器的信息交互。用户具备在底层自定义协议的能力，结合智云提供的API和自定义协议，可以轻松实现对底层传感器的控制以及数据的采集。特别地，在智云Android应用编程接口的设计中，系统主要依赖于实时数据API接口来完成各项应用功能的设计与开发。Application程序框架如图6所示。

5 Web页面功能结构设计

5.1 运营首页

Web端应用在启动时，默认加载并展示运营首页页面，该页面上设有光照数据显示模块、补光灯控制模块、遮阳帘控制模块、模式切换模块、光照阈值设备模块按钮。用户只需点击这些按钮，便可进入相应模块的展示或控制页面，实现对农业土壤环境的调节与管理。运营首页页面如图7所示。

5.2 历史数据查询页面

在历史数据页面可以对土壤温度、湿度数据的历史数据进行查询，历史数据查询页面如图8所示。

6 系统部署测试

6.1 硬件设备部署

系统的硬件构成主要依托于XLab实验箱，其中核心组件包括经典型无线节点ZXBeeLiteB、采集类传感器Sensor-A、控制类传感器Sensor-B以及Android智能网关。本项目需要使用采集类传感器Sensor-A节点板、控制类传感器Sensor-B节点板，按照实验箱的使用说明书进行设备间的连接操作，硬件设备部署情况如图9所示。

6.2 Web端应用测试

在浏览器中打开本项目的index.html文件。此时，Web端主页面中各个设备处于离线状态，离线显示如图10所示。

当系统设备的右上角状态显示为离线时，需要通过“更多信息”页面输入服务器ID与IDkey，以连接智云服务器。服务器连接成功后，系统主页面显示的设备状态更新为在线。在线状态下，即可通过“水泵”按钮实时控制水泵的开关或通过历史数据页面查看土壤温湿度曲线变化图，具体如图11、图12和图13所示。

6.3 Android移动端应用安装与测试

6.3.1 Android移动端应用安装

Android网关设备使用USB数据连接线通过OTG接口与PC的USB接口进行连接。一旦连接建立并成功识别，用户需在电脑上打开所连接的内存设备，拷贝“SoilRegulaion.apk”文件到Android网关设备中，即可在Android网关上成功安装该应用。

6.3.2 Android移动端应用测试

Android移动端应用操作同Web端应用操作流程基本一致，其主页面如图14所示。

7 系统应用的优势

本文系统具有如下优势：

（1）自动化：基于LoRa技术的农业土壤调节系统能够自动监测温湿度参数，并自动控制水泵灌溉设备，减少人工干预和操作，提高灌溉效率。

（2）智能化：通过对温湿度环境数据的分析，系统能够根据作物的生长需求和土壤状况，智能控制灌溉设备的运行时间和水量，实现精准灌溉。

（3）远程化：通过云平台和互联网技术，用户可以在任何地点对系统进行远程监控和管理，方便快捷。

（4）可移动性强：由于采用无线通信技术，系统可以随时移动和重新配置，适应不同的环境和作物需求。

（5）抗干扰能力强：LoRa无线通信技术具有较低的功耗和较强的抗干扰能力，可以在各种环境条件下稳定工作。

（6）提高水资源利用率：通过智能化灌溉控制，可以避免灌溉过量或不足，减少水资源浪费，提高水资源利用率。

（7）提高农产品产量：农业调节系统的精准灌溉可以为作物提供最佳的生长环境，提高农产品的产量和质量。

8 结 语

当前，基于物联网技术的智慧农业正成为农业现代化和可持续发展的重要引擎[6]。本文针对大田农业所面临的面积广阔、布线困难及运维成本高昂等问题，聚焦于农田土壤环境的监测与调控，依托物联网与LoRa无线通信技术，提出了一套基于LoRa的农业土壤调节系统的设计与实现方案。该系统通过精准灌溉，最大限度地减少水资源浪费，并提升灌溉用水效率。为确保系统的可靠性，本文对基于LoRa技术的农业土壤调节系统做了整体测试[7]。测试结果表明，现场部署的采集设备能够准确采集土壤温湿度数据，服务器端能够顺利接收并处理这些数据，控制端能够精确控制水泵的开启与关闭[8]。此外，Android移动客户端与Web端均能够实时监测数据、查询历史记录等，为用户提供了便捷的操作体验。该系统功能稳定、操作简便且实时性高，使用户能够轻松实现对设施农业环境的远程实时监控[9]。通过设置合理的阈值，系统能够智能控制水泵的运行，从而自动调节土壤温湿度。总体而言，该系统有效解决了传统灌溉方法存在的诸多问题，在节水、提效及生态保护等方面均展现出显著优势，为农业生产提供了全新的解决方案。相信该系统能在更多农业灌区中得到广泛应用，为推动农业现代化与可持续发展贡献力量[10]。未来，将进一步扩展系统功能，通过增加更多传感器来丰富操作体验，提升系统的智能化水平。

参考文献

[1]毕千千，方朝曦.基于ZigBee和多种传感器的智能灌溉系统研究[J].物联网技术，2023，13（4）：34-36.

[2]钟卫连.基于物联网的“智慧农业”构建探究[J].现代农机，2021（6）：4-5.

[3]李东，吕爽. 物联网和人工智能技术在农业中的应用研究[J]. 现代农机，2024（2）：11-13.

[4]曹征.物联网技术在农业灌溉系统中的应用[J].中国果树，2022（8）：125.

[5]陈彪，揭晶方，张伟，等.基于LoRa的智能农业系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2018，26（10）：128-131.

[6]马翔.基于物联网技术的智慧农业发展路径分析[J].农业工程技术，2023，43（32）：22-23.

[7]师喏，王宇成，马丽华，等.基于物联网技术的农业大棚数据采集系统[J].物联网技术，2023，13（7）：37-40.

[8]王鲁淮，胡必玲，王添，等.基于ZigBee和WiFi的土壤监测系统设计与实现[J].物联网技术，2023，13（11）：13-16.

[9]田莉，左恒，郝雯娟，等.基于物联网技术的设施农业环境监控系统设计[J].物联网技术，2024，14（1）：18-21.

[10]李华，刘斌，陈亮，等.农业灌区智能节水灌溉系统设计与应用[J].农业与技术，2024，44（2）：20-22.